基于CKS32微控制器的嵌入式教學平臺設計

摘" 要：該文介紹新工科理念下高校嵌入式教學實驗改革的背景，針對以工程應用型人才為培養導向的教學目標，采用低耦合模塊化設計原則，設計研制一款基于國產CKS32F407ZGT6微處理器的綜合性嵌入式教學實驗平臺，內置功能模塊豐富，模塊相互之間可根據實際需求靈活組合。以項目驅動為導向，設計4個層次的實驗例程，由淺入深，循序漸進，為學生動手實踐、系統設計、創新思維等能力的提升奠定良好的基礎。

關鍵詞：新工科理念；嵌入式教學；實驗平臺；CKS32F407ZGT6；項目驅動

中圖分類號：TP368.1" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）11-0045-04

Abstract： This paper introduces the background of the reform of Embedded Teaching experiment in colleges and universities under the concept of New Engineering. Aiming at the teaching goal of training engineering application talents， a comprehensive Embedded Teaching experiment platform based on domestic CKS32F407ZGT6 microprocessor is designed and developed by adopting the principle of low coupling modularization design. The built-in functional modules are rich and the modules can be flexibly combined with each other according to the actual needs. Guided by a project-driven approach， four levels of experiments were designed. These experiments progress from simple to deep， gradually laying a solid foundation for the improvement of students' abilities in hands-on practice， system design， and innovative thinking.

Keywords： New Engineering concept; Embedded Teaching; experimental platform; CKS32F407ZGT6; project-driven

新工科理念的提出，對高校工科類人才的培養和課程建設提出了更高的要求[1-2]。近年來，學校與企業不斷以實際產業需求為導向，相互協同合作，在開展校企共建課程和人才聯合培養等方面積極探索，取得了一定的成效[3]。嵌入式系統相關課程作為電子信息、電氣工程、通信工程等專業的必修課，具有較強的綜合性，涵蓋了電路、自動控制、計算機編程和電力電子等學科的專業知識，內容抽象，軟硬件結合，具有實踐與理論高度融合的特點[4]。當前國內高校普遍依然使用以8051為核心的實驗平臺[5]，大多以核心最小系統板或開發評估板為主，這種模式由于尺寸約束，所集成的外設模塊種類和數量受到限制，使得相關實驗設置得較為單一，可復用性差，設計的實驗項目缺乏體現嵌入式系統思想，無法同時滿足不同場景的教學需求，限制了教師和學生的發揮。

本文設計開發一款基于國產CKS32F407ZGT6微處理器的嵌入式教學實驗平臺。立足于教學大綱與工程實踐相結合，可支持工業控制、電機變頻、人機交互和物聯網應用等方面的開發和教學。通過整個箱體內部的模塊化設計，相比傳統的開發板具備更豐富的擴展模塊，支持更多層次的案例課程設置，適用于嵌入式課堂培訓、競賽訓練及項目開發。

1" 實驗平臺整體設計

為滿足不同嵌入式課程教學學習需要、可攜帶性，以及系統的通用性、可擴展性與可維護性，教學實驗平臺整體設計包含箱體、通用底板、MCU核心板和各個模塊子板，如圖1所示。箱體內設置獨立的附件區域，用于收納各個實驗所需的電源、導線、調試工具和電機等附件。

2" 硬件設計

2.1" 核心板

核心板如圖2所示，主控CKS32F407ZGT6微控制器由中科芯集成電路有限公司推出，具有168 MHz主頻、FPU浮點單元、DSP指令集等高性能特性，相比8051和Cortex-M3具有更多的外設資源及IO接口，可以實時處理各項任務。電路中采用了外置25 MHz晶振和32.768 kHz晶振，所有的GPIO通過四周排針引出，方便教學擴展。為了減小干擾，PCB布局時模擬電源和數字電源做了濾波和分割處理，有效提高系統的穩定性。

核心板集成了音頻模塊、SD卡、EEPROM、SPI FLASH、紐扣電池、4路用戶LED燈及三色燈、4路用戶按鍵、可變電阻器、LCD模組、RS232串口、RS485、CAN總線、以太網、USB接口和電容觸摸按鍵等外設。在不連接底板的情況下，MCU核心板本身也能獨立完成多個實驗教學例程。

2.2" 通用底板

通用底板用于連接更多典型的應用模塊，可以經過教師和學生的靈活配置，模擬出多種應用場景，適用于常見的單片機系統、嵌入式開發、自動控制原理、電路與系統、無線通信和電機類實驗課程。一套平臺覆蓋多個課程知識，省去不同課程分別設置匹配實驗系統和資源的工作。如圖3所示，系統劃分多個帶獨立電源開關控制的應用功能區域，底板安裝有固定螺釘，可以方便集成于實驗箱中，核心板和各個模塊子板通過接插件結構安裝在通用底板上，實現信號連接和控制交互。

2.3" 模塊子板

模塊子板主要包括16個外圍功能模塊。

①電源子板。設計有12 V轉5 V的DC-DC和5 V轉3.3 V的LDO電路，5.5～36 V的寬輸入電壓范圍，提供整個教學實驗平臺的電源管理。②繼電器子板。設計有基于ULN2003L驅動芯片的常開、常閉共計3路繼電器電路，LED作為負載提供繼電器狀態指示。③電機驅動子板。包含1個基于H橋的直流電機驅動電路和1個基于達林頓管的步進電機驅動電路，可用于學習直流有刷電機的PWM開閉環控制以及4相8拍步進電機的基礎控制算法。④熱敏打印機子板。集成了1個熱敏打印機產品的雛形，涉及步進電機驅動算法、FLASH字庫讀寫，串口通信、報警中斷、按鍵中斷和ADC溫度檢測等學習內容。⑤4G通信模組子板?；贏T指令集操作，通過移遠EC200N LTE無線模組實現4G網絡數據透傳、云端服務器連接。⑥矩陣鍵盤子板。集成了4×4矩陣鍵盤，通過8個GPIO口，采用行列動態掃描的方法實現鍵盤功能?？捎糜谀M計算器、工控控制面板等實驗教學。⑦2.4 G射頻通信子板。采用2.4 G無線模塊NRF24L01，可進行點對點組網通信，適用于無線通信、物聯網相關課程教學。⑧交通燈子板。4組LED模擬真實的十字路口紅綠燈，由GPIO口單獨驅動，可用于邏輯控制算法相關的課程學習。⑨紅外遙控子板。集成了38 kHz紅外傳感器HX1838接收電路，配合實驗箱內的紅外遙控器，對信號進行解碼，可實現各種遙控類互動實驗，適用于信號處理相關課程學習。⑩蜂鳴器子板。集成了1個無源蜂鳴器和1個有源蜂鳴器電路，通過定時器PWM輸出和GPIO進行控制。11段式數碼管子板。設計有8位數碼管電路，可以配合其他實驗使用，比如顯示溫濕度、顯示時間、計時器等。12光敏傳感器子板。集成了光敏電阻、可調電阻、比較器，可實現不同靈敏度檢測出光強變化。13點陣LED子板。集成了8×8的LED點陣，通過74HC595控制，適用于字符圖形的動態顯示編碼和算法教學。14溫濕度子板。使用數字濕度傳感器DHT11分別檢測溫度及濕度信息，單總線協議傳輸。15熱釋電傳感器子板。集成人體紅外熱釋電傳感器，可以探測人體的紅外輻射，可用于光電類課程實驗學習。16超聲波傳感器子板。使用超聲波測距模塊HC-SR04檢測障礙物距離，適用于智能尋跡避障小車等電子設計項目學習。

3" 開發環境和調試工具

3.1" 開發環境介紹

CKS32系列MCU開發環境一般使用通用IDE（Integrated Development Environment，集成開發環境），開發環境主要用于代碼編寫、下載、調試等，目前使用比較多的是Keil MDK和IAR Embedded Workbench。

Keil是自8051時代就廣泛使用的IDE，由Keil公司推出，后更名為Keil MDK。Keil MDK包括uVision IDE、調試器、C/C++編譯器和基本中間件，支持國內外MCU廠商數千款MCU產品，具有易于學習和使用的特點。

IAR Embedded Workbench是瑞典IAR Systems公司為微處理器開發的一個集成開發環境，提供多種架構的支持，為該公司最著名的產品之一。IAR開發環境集成了編譯器、匯編器、鏈接器、C-SPY 調試器、CPU模擬器、C-STAT靜態分析器和C-RUN動態檢查等工具，以一體式形式提供文件編輯、項目管理、在線調試和狀態監視等功能[6]。

實驗平臺同時提供以上2種開發環境的例程代碼，通過目錄的組織優化，共用同1套源代碼，滿足不同開發環境教學的同時，方便維護和管理。

3.2" 調試工具

實驗平臺配套中科芯原廠自主推出的CKS-Debugger調試下載器（圖4），該調試器內部以中科芯CKS32F103CBT6為主控，集成了在線仿真、在線編程、USB轉串口工具3種主要功能。調試器通過USB 2.0全速接口連接到電腦主機，標準即插即用免安裝驅動，由SWD或JTAG接口連接到目標MCU進行調試編程。包括芯片設置、單步調試、全速運行、FLASH斷點設置、寄存器訪問和Flash編程等操作，并兼容如Keil MDK、IAR等主流開發工具IDE，可以較好地支撐實驗教學的日常使用。

4" 實驗例程設計

4.1" CKS32 MCU固件庫

隨著MCU集成度不斷提升，片內外設資源和功能也越來越豐富。若采用傳統的直接操作寄存器方法進行開發，則會帶來代碼可讀性差、開發進度慢等問題。因此，實驗平臺的軟件例程采用CKS32 MCU固件庫進行設計，以方便用戶使用和學習。

CKS32 MCU固件庫是一個固件函數包，它由程序、數據結構、宏組成，對CKS32 MCU所有外設的寄存器的操作組合進行了軟件層封裝。每個外設驅動都由一組API函數合集組成，這組API函數合集覆蓋了該外設的所有功能實現，這些API函數的結構、名稱、參數都進行過標準化處理。通過調用固件庫，用戶無須深入理解每一個寄存器的細節，也可以輕松應用每一個外設，大大提升了學習和開發效率。CKS32F407系列的固件庫架構示例見表1。

4.2" 實驗例程設計

實驗例程的設計與專業課程內容及教學目標密切相關，不僅要有系統性和實踐性，還要緊跟行業應用，才能真正體現理論實踐一體化的新工科理念要求[7]。本實驗平臺根據上述需求配套設計了基礎例程、高級例程、綜合例程和創新例程4個層次的階梯式實驗項目，循序漸進，幫助學生和工程師更好地掌握嵌入式系統知識與設計方法，實驗例程清單見表2。

基礎例程緊扣課程教學大綱，主要目標是培養學生嵌入式開發的基本技能。高級例程一般是和專業相關聯的系統級實驗，重點在于軟硬件聯合開發調試的知識和技能。綜合例程會圍繞實驗平臺現有的硬件資源，集合實際工程應用需求進行綜合應用練習。創新例程在上述實驗基礎上可以和畢業設計環節結合，以項目的形式鍛煉學生自己搭建一個新的并且完整的嵌入式系統的能力。

5" 結束語

針對新工科背景下嵌入式教學實驗設備存在的問題，依托國產MCU微控制器，基于模塊化設計思想，設計研制了一款綜合性教學實驗箱平臺，平臺硬件具有良好的完整性、可擴展性、抗干擾性。豐富的功能模塊和多層次設置的教學實驗內容難易結合，層層遞進，可以滿足不同學習水平學生的實驗要求，同時還支持電路、自動控制、計算機編程和電力電子等高校課程的配套教學演示及電子競賽類項目研發，在嵌入式系統課程的實踐中可以發揮積極的作用。有助于不斷深化嵌入式教學改革，建立以企業為主體、市場為導向、產學研深度融合的技術創新體系，積累與高校協作培養人才的成功經驗。

參考文獻：

[1] 孫英浩，謝慧.新工科理念基本內涵及其特征[J].黑龍江教育（理論與實踐），2019（7）：11-15.

[2] 張歡，宋慧娜，滕旭陽，等.新工科背景下的嵌入式系統實驗教學探索[J].電腦知識與技術，2023，19（3）：166-168.

[3] 劉海成，遲鳳陽，鄒海英，等.校企協同的嵌入式與智能硬件課程在線教學模式研究[J].單片機與嵌入式系統應用，2022，22（9）：26-28.

[4] 安玲玲.應用型本科高?！皢纹C原理與接口技術”課程教學改革研究[J].現代制造技術與裝備，2017（11）：161-162.

[5] 劉清，郭津津，楊秀萍，等，基于STM32 微處理器的嵌入式教學實驗平臺開發[J].中國現代教育裝備，2016（17）：20-22.

[6] 吳昌昊，范云，黃菊，等，IAR開發環境下添加SM9B100MAL處理器支持的原理與方法[J].兵工自動化，2021，40（7）：28-38.

[7] 李磊，鄧洪波，王云，等.新工科理念下嵌入式系統實驗教學的改革與探索[J].實驗科學與技術，2019，17（5）：81-84，98.